SPI總線在51系列單片機系統中的實現
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摘要：MCS51系列、MCS96系列等單片機由于都不帶SPI串行總線接口而限制了其在SPI總線接口器件的使用。文中介紹了SPI串行總線的特征和時序，并以串行E2PROM為例，給出了在51系列單片機上利用I/O口線實現SPI串行總線接口的方法和軟件設計程序。
1 引言
SPI(Serial Peripheral Interface--串行外設接口)總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。外圍設置FLASHRAM、網絡控制器、LCD顯示驅動器、A/D轉換器和MCU等。SPI總線系統可直接與各個廠家生產的多種標準外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOST和低電平有效的從機選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT或INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線MOSI)。由于SPI系統總線一共只需3～4位數據線和控制即可實現與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進行接口，而擴展并行總線則需要8根數據線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡化電路設計，節省很多常規電路中的接口器件和I/O口線，提高設計的可靠性。由此可見，在MCS51系列等不具有SPI接口的單片機組成的智能儀器和工業測控系統中，當傳輸速度要求不是太高時，使用SPI總線可以增加應用系統接口器件的種類，提高應用系統的性能。
2 SPI總線的組成
利用SPI總線可在軟件的控制下構成各種系統。如1個主MCU和幾個從MCU、幾個從MCU相互連接構成多主機系統（分布式系統）、1個主MCU和1個或幾個從I/O設備所構成的各種系統等。在大多數應用場合，可使用1個MCU作為控機來控制數據，并向1個或幾個從外圍器件傳送該數據。從器件只有在主機發命令時才能接收或發送數據。其數據的傳輸格式是高位（MSB）在前，低位（LSB）在后。SPI總線接口系統的典型結構如圖1所示。
當一個主控機通過SPI與幾種不同的串行I/O芯片相連時，必須使用每片的允許控制端，這可通過MCU的I/O端口輸出線來實現。但應特別注意這些串行I/O芯片的輸入輸出特性：首先是輸入芯片的串行數據輸出是否有三態控制端。平時未選中芯片時，輸出端應處于高阻態。若沒有三態控制端，則應外加三態門。否則MCU的MISO端只能連接1個輸入芯片。其次是輸出芯片的串行數據輸入是否有允許控制端。因此只有在此芯片允許時，SCK脈沖才把串行數據移入該芯片；在禁止時，SCK對芯片無影響。若沒有允許控制端，則應在外圍用門電路對SCK進行控制，然后再加到芯片的時鐘輸入端；當然，也可以只在SPI總線上連接1個芯片，而不再連接其它輸入或輸出芯片。
3 在MCS51系列單片機中的實現方法
對于不帶SPI串行總線接口的MCS51系列單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時鐘、數據輸入和數據輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。對于在SCK的上升沿輸入（接收）數據和在下降沿輸出（發送）數據的器件，一般應將其串行時鐘輸出口P1.1的初始狀態設置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK時鐘的同時，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數據至MCS51單片機的P1.3口（模擬MCU的MISO線），此后再置P1.1為1，使MCS51系列單片機從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數據（先為高位）至串行接口芯片。至此，模擬1位數據輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數據的輸入輸出……，依此循環8次，即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數據的操作。對于在SCK的下降沿輸入數據和上升沿輸出數據的器件，則應取串行時鐘輸出的初始狀態為0，即在接口芯片允許時，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數據（MCU接收1位數據），之后再置時鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數據(MCU發送1位數據)，從而完成1位數據的傳送。
圖2所示為MCS51系列單片機與存儲器X25F008（E2PROM）的硬件連接圖，圖2中，P1.0模擬MCU的數據輸出端（MOSI），P1.1模擬SPI的SCK輸出端，P1.2模擬SPI的從機選擇端，P1.3模擬SPI的數據輸入端（MISO）。下面介紹用MCS51單片機的匯編語言模擬SPI串行輸入、串行輸出和串行輸入/輸出的3個子程序，實際上，這些子程序也適用于在串行時鐘的上升沿輸入和下降沿輸出的其它各種串行外圍接口芯片（如A/D轉換芯片、網絡控制器芯片、LED顯示驅動芯片等）。對于下降沿輸入、上升沿輸出的各種串行外圍接口芯片，只要改變P1.1的輸出電平順序，即先置P1.1為低電平，之后再次置P1.1為高電平，再置P1.1為低電平……，則這些子程序也同樣適用。
3.1 MCU串行輸入子程序SPIIN
從X25F008的SPISO線上接收8位數據并放入寄存器R0中的應用子程序如下：
SPIIN：SETB P1.1 ；使P1.1(時鐘)輸出為1
CLR P1.2 ;選擇從機
MOV R1，#08H ；置循環次數
SPIIN1:CLR P1.1 ；使P1.1（時鐘）輸出為0
NOP ；延時
NOP
MOV C，P1.3 ；從機輸出SPISO送進位C
RLC A ；左移至累加器ACC
SETB P1.1 ；使P1.0(時鐘)輸出為1
DJNZ R1,SPIIN1 ；判斷是否循環8次（8位數據）
MOV R0，A ；8位數據送R0
RET
3.2 MCU串行輸出子程序SPIOUT
將MCS51單片機中R0寄存器的內容傳送到X25F008的SPISI線上的程序如下：
SPIOUT：SETB P1.1 ;使P1.1（時鐘）輸出為1
CLR P1.2 ;選擇從機
MOV R1,#08H ；置循環次數
MOV A,R0 ；8位數據送累加器ACC
SPIOUT1：CLR P1.1 ；使P1.1（時鐘）輸出為0
NOP ；延時
NOP
RLC A ；左移至累加器ACC最高位至C
MOV P1.0，C ；進位C送從機輸入SPISI線上
SETB P1.1 ；使P1.1（時鐘）輸出為1
DJNZ R1,SPIOUT1 ;判是否循環8次（8位數據）
RET
3.3 MCU串行輸入/輸出子程序SPIIO
將MCS51單片機R0寄存器的內容傳送到X25F008的SPISI中，同時從X25F008的SPISO接收8位數據的程序如下：
SPIIO：SETB P1.1 ；使P1.1（時鐘）輸出為1
CLR P1.2 ；選擇從機
MOV R1，#08H ；置循環次數
MOV A，R0 ；8位數據送累加器ACC
SPIIO1：CLR P1.1 ；使P1.1（時鐘）輸出為0
NOP ；延時
NOP
MOV C，P1.3 ；從機輸出SPISO送進位C
RLC A ；左移至累加器ACC最高位至C
MOV P1.0，C ；進位C送從機輸入
SETB P1.1 ；使P1.1（時鐘）輸出為1
DJNZ R1，SPIIO1 ；判斷是否循環8次（8位數據）
RET
4 結束語
本文介紹了通過SPI總線接口實現數據傳輸的實現方法，給出了用MCS51單片機匯編語言模擬SPI串行總線的輸入、輸出，輸入/輸出以傳送8位數據的子程序。實際上，也可以根據SPI串行總線的操作時序特點來在MCS96系列、ATMEL89系列等單片機上實現SPI總線的接口。
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